反水素の超微細遷移と反陽子の磁気モーメント

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24000008
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 山崎 泰規 独立行政法人理化学研究所, 山崎原子物理研究室, 上席研究員 (30114903)
• 研究分担者: ULMER Stefan 独立行政法人理化学研究所, Ulmer国際主幹研究ユニット, 国際主幹研究員 (50624813) ; 松田 恭幸 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (70321817)
• 研究期間 (年度): 2012-05-29 – 2017-03-31
• キーワード: CPT対称性 / 反水素 / 反陽子 / 陽電子 / 反水素ビーム / マイクロ波分光

研究概要

反水素ビームの生成に世界で初めて成功した。成果はNature Communicationsに発表したが、非常に大きな反響があり、驚いている。先ず、CERNのhome pageのトップに成果と実験装置の模式図が掲載されたのをはじめ、Nature本誌のSeven Daysというコラムで、自然科学系全分野における成果二つのうちの一つに取り上げられた。これは、反水素研究がこれまで、合成と捕捉と言うキーワードでのみ語られていた状況を一新し、ビームとして引出し、不均一磁場よる分光精度の劣化を原理的に除いたものとして、高く評価されている。以上を実現するため、陽電子の蓄積効率を飛躍的に向上させ、上記の実験時で2010年時の10倍を達成していたが、その後、さらに改良を重ね、さらに10倍を達成した。すなわち2010年時から見るとほぼ100倍に該当する。
さらに、パルス反陽子を陽電子雲に打ち込む条件を実験的に精査し、上記反水素ビーム生生成功時に比して、陽電子加熱を10%程度に押さえる方法を開発した。陽電子数の飛躍的向上と相俟って、陽電子温度への影響をこれまでの1%程度以下に抑える方策が開発できたことになる。さらに、反水素ビームの集束力を強めるため、新しいカスプ磁石の開発に着手した。倍以上の集束力が確保できるものと期待している。さらに、反水素合成時における反陽子-陽電子混合条件、反水素合成条件を具に観察するため、円筒型の三次元トラッカーの開発をサックレーの検出器グループと進めている。これまで磁場軸方向についてのみ、数㎝程度の分解能での消滅情報しか得られていなかったが今後は三次元の全ての方向に1㎝程度の分解能で消滅位置を確定できることになる。飛躍的飛躍的な進歩になると考えている。
以上全ての成果を総合し、2014年のビームタイムに向けて準備を進めている。質的に異なる成果がえられるものと期待している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2013年度は、CERNの加速器群改良のため(特にLHCのため)、ビームタイムが無く、全ての時間を装置開発改良に用いた。その結果9.に記したように、様々な成果が得られることとなった。全ての改良は、実際に反陽子を用いた実験をしてはじめてその成果が明らかになるものであるが、これまでのテスト実験による結果を見れば、十分に今年度の目的を達成できたと考えている。
勿論、反水素ビーム合成は、これまでになかった質的に新しい成果で、高く評価できると考えている。公表後の様々な反応は、この評価を裏付けするものといえる。

今後の研究の推進方策

1. 三次元消滅トラッカーの完成を急ぎ、その性能テストを宇宙線、陽電子源等により進める。
2. カスプ磁石の性能試験を進め、本番実験に備える。
3. 反陽子の陽電子への打ち込み条件の操作法をさらに高度化し、陽電子雲加熱をさらに抑える技術を開発する。
4. 反水素合成条件を最適化するため、反陽子と陽電子の混合条件を大規模シミュレーションをさらに進める。陽電子蓄積の高度化をさらに進め、回転電場圧縮、フィードパック冷却などの手法を駆使して、極低温高密度陽電子雲生成法を進める。
5. 反水素検出器の高度化、二次元読み出し方の開発を進め、反水素ビーム識別性能を飛躍的に向上する。
6. 以上の成果を元に、2014年秋に予定されている反水素合成実験を粛々と進める。

研究成果

• [雑誌論文] The ALPHA antihydrogen trapping apparatus (2014)
  • 著者名/発表者名: C. Amole, G. B. Andresen, M. D. Ashkezari, M. Baquero-Ruiz, W. Bertsche, P. D. Bowe, E. Butler, A. Capra, P. T. Carpenter, C. L. Cesar, S. Chapman, M. Charlton, A. Deller, S. Eriksson, J. Escallier, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fuiiwara, D. R. Gill, A. Gutierrez, J. S. Hangst, W. N. Hardy, R. S. Hayano, M. E. Hayden, A. J. Humphries, J. L. Hurt, R. Hydomako, C. A. Isaac, M. J. Jenkins, S. Jonsell, L. V. Jorgensen, S. J. Kerrigan, L. Kurchaninov, N. Madsen, A. Marone, J. T. K. McKenna, S. Menary, P. Nolan, K. Olchanski, A. Olin, B. Parker, A. Povilus, P. Pusa, F. Robicheaux, E. Sarid, D. Seddon, S. SeifElNasr, D. M. Silveira, C. So, J. W. Storey, R. I. Thompson, J. Thornhill, D. Wells, D. P. vanderWerf, J. S. Wurtele, Y. Yamazaki
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods A 巻: 735 ページ: 319-340
  • DOI: 10.1016/jnima.2013.09.043
  • 査読あり
• [雑誌論文] A source of antihydrogen for in-flighl hyperfine Spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Kuroda, S. Ulmer, D. J. Murtagh, S. Van Gorp, Y. Nagata, M. Diermaier, S. Federmann, M. Leali, C. Malbrunot, V. Mascagna, O. Massiczek, K. Michishio, T. Mizutani, A. Mohri, H. Nagahama, M. Ohtsuka, B. Radicsm S. Sakurai, C. Sauerzopf, K. Suzuki, M. Tajima, H. A. Torii, L. Venturelli, B. Wuenschek, J. Zmeskal, N. Zurlo, H. Higaki, Y. Kanai, E. Lodi Rizzini, Y. Nagashima, Y. Matsuda, E. Widmann and Y. Yamazaki
  • 雑誌名: Nature Communications
  • DOI: 10.1038/ncomms4089
  • 査読あり
• [雑誌論文] Towards a high-precision mleasurement of the antiproton magnetic momen (2014)
  • 著者名/発表者名: C. Smorra, K. Blaum, K. Franke, Y. Matsuda, A. Mooser, H. Nagahama, C. Ospelkaus, W. Quint, G. Schneider, S. Van Gorp, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer
  • 雑誌名: Hyperfine Int. 巻: 225 ページ: 41-47
  • DOI: 10.1007/S10751-014-1018-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison of non-neutral electron plasma confinement in harmonic and rectangular potentials in a very dense regime (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Mohamed, A. Mohri, and Y. Yamazaki
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 20 ページ: 41-45
  • DOI: 10.1063/1.4773900
  • 査読あり
• [雑誌論文] Towards the production of anti-hydrogen beams (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Higaki, Y. Enomoto, N. Kuroda, K. Michishio, D. J. Murtagh, S. Ulmer, S. Van Gorp, C. H. Kim, Y. Nagata, Y. Kanai, H. A. Torii, M. Corradini, M. Leali, E. Lodi-Rizzini, V. Mascagna, L. Venturelli, N. Zurlo, K. Fujii, M. Otsuka, K. Tanaka, H. Imao, Y. Nagashima, Y. Matsuda, B. Juhász, A. Mohri and Y. Yamazaki
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1,521 ページ: 134-138
  • DOI: 10.1063/1.4796069
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of the double Penning Trap technique with a single proton (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Mooser, S. Braeuninger, K. Franke, H. Kracke, C. Leiteritz, C. C. Rodegheri, H. Nagahama, G. Schneider, C. Smorra, K. Blaum, Y. Matsuda, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, S. Ulmer
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 723 ページ: 78-81
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2013.05.012
  • 査読あり
• [雑誌論文] CPT symmetry tests with cold p and antihydrogen (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamazaki and S. Ulmer
  • 雑誌名: Annalen der Physik 巻: 525 ページ: 493-504
  • DOI: 10.1002/andp.201300060
  • 査読あり
• [学会発表] 反水素ビームの検出法 (2014)
  • 著者名/発表者名: 永田祐吾、長嶋泰之, 松田恭幸, E. Widmann, 山崎泰規, 他
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2014-03-30
• [学会発表] 超微細構造分光のための反水素原子ビーム生成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 黒田直史, S. Ulmer, D. J. Murtagh, S Van Gorp, 永田祐吾, 金井保之, E. Lodi Rizzini, 長嶋泰之, 松田恭幸, E. Widmann, 山崎泰規, 他
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2014-03-30
• [学会発表] 高効率反水素生成にむけた反陽子輸送法の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田島美典、黒田直史、金井保之、永田祐吾、檜垣浩之、松田恭幸、山崎泰規
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2014-03-30
• [学会発表] 偏極反水素原子ビーム生成に向けた陽電子源の開発状況 (2014)
  • 著者名/発表者名: 金井保之, D. J. Murlagh, S. VanGorp, 長島泰之, 松田泰幸, 山崎秦規, 他
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2014-03-30
• [学会発表] Current achievements at the RIKEN micro-irradiation setup using tapered glass capillaries (2013)
  • 著者名/発表者名: V. Maeckel
  • 学会等名: ICPEAC
  • 発表場所: Lanzhou, China
  • 年月日: 2013-07-24
• [学会発表] Atomic physics and atomic collision physics from Z=-1 to 92 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamazaki
  • 学会等名: ICPEAC
  • 発表場所: Lanzhou, China
  • 年月日: 2013-07-23
• [学会発表] Towards the production of an ant i-hydrogen beam (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Van Gorp
  • 学会等名: POSMOL
  • 発表場所: Kanazawa, Japan
  • 年月日: 2013-07-21
• [学会発表] Ion beam guiding with straight and curved insulator capillaries (2013)
  • 著者名/発表者名: T. M. Kojima
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Ion Atom Collisions
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 2013-07-20
• [学会発表] Toward Precision Measurements of Antihydrogen Atoms and Antiprotons for the CPT Symmetry Test (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamazaki
  • 学会等名: pan-US Seminar on Quantum Electronics and Laser Spec
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 年月日: 2013-04-09